Các đột biến gen giúp việc trồng lúa có năng suất cao hơn

Các đột biến gen giúp việc trồng lúa có năng suất cao hơn 

Bùi Anh Xuân theo Phys.org

Lúa gạo có lịch sử lâu đời như một loại lương thực chính ở Nhật Bản và các khu vực khác của châu Á. Kết quả từ một nghiên cứu mới của một tổ chức hợp tác nghiên cứu quốc tế cho thấy sự xuất hiện của cây lúa trồng từ cây lúa hoang là kết quả của ba đột biến gen làm cho hạt (tức là hạt gạo) rơi ra khỏi cây ít dễ dàng hơn.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học phát hiện ra rằng mỗi đột biến riêng lẻ thì có ít ảnh hưởng nhưng khi cả ba đột biến xuất hiện, các bông lúa sẽ giữ lại nhiều hạt hơn - dẫn đến năng suất cây trồng cao hơn.

Người ta tin rằng việc thuần hóa cây lúa hoang bắt đầu khi tổ tiên chúng ta phát hiện và bắt đầu trồng những cây lúa không dễ rụng hạt, mở đường cho việc sản xuất lúa ổn định. Người ta hy vọng rằng những kết quả nghiên cứu này có thể đóng góp vào những cải tiến trong tương lai đối với việc hạt lúa rơi dễ dàng hơn (tức là làm cho cây trồng dễ dàng thu hoạch hơn) và phát triển các giống lúa năng suất cao, nơi mọi hạt đều có thể được thu hoạch, giảm lãng phí.

Khám phá này được thực hiện bởi sự hợp tác quốc tế bao gồm các nhà nghiên cứu từ Trường Cao học Nông nghiệp của Đại học Kobe (Nhật Bản), Viện Di truyền Quốc gia (Nhật Bản), Đại học London (Anh), Đại học Warwick (Anh), Đại học Nông nghiệp Yezin (Myanmar) và Viện Nghiên cứu và Phát triển Nông nghiệp Campuchia.

 

Hạt lúa hoang và lúa trồng rơi vãi.

 

Oryza sativa (thường được gọi là gạo châu Á trong tiếng Anh) được trồng và tiêu thụ rộng rãi trên toàn thế giới. Nó được biết là có nguồn gốc từ cỏ dại lúa hoang Oryza rufipogon. Người ta tin rằng cây lúa bắt đầu được trồng khi những người săn bắn hái lượm thời cổ đại chọn những cây lúa hoang có đặc điểm thích hợp với mục đích của họ. Cây lúa hoang thực hiện một quá trình làm vỡ hạt để làm phát tán hạt của chúng, cho phép chúng nhân giống hiệu quả.

Tuy nhiên, khi canh tác lúa, cần phải kìm hãm sự vỡ hạt này để có được vụ mùa ổn định. Năm 2006, gen sh4 được phát hiện: gen này cần thiết cho quá trình bắt đầu vỡ hạt ở thực vật bao gồm cả cây lúa, và người ta đã đề xuất rằng một đột biến trong gen này cho phép thực hiện được trên lúa trồng.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng chỉ đột biến sh4 này là không đủ để ngăn chặn sự mất hạt do vỡ hạt, cho thấy rằng các đột biến gen khác cũng có liên quan. Với trọng tâm là lịch sử ban đầu của việc trồng lúa, nghiên cứu này đã tập hợp các chuyên gia về di truyền thực vật, cổ vật học và cơ học cấu trúc để làm sáng tỏ việc tăng năng suất lúa đã được thực hiện như thế nào.

Sự vỡ hạt là do một cấu trúc được gọi là lớp abscission được hình thành ở phần gốc của mỗi hạt lúa. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng một sự thay thế nucleotide đơn (từ cytosine thành thymine) trong DNA của gen qSH3 là cần thiết để ức chế lớp abscission, ngoài đột biến gen sh4 nói trên. Đột biến gen qSH3 này được tìm thấy trong các loại lúa chính được trồng trên toàn thế giới (indica và japonica).

Các đột biến riêng lẻ liên quan đến hiện tượng vỡ hạt, ví dụ ở gen sh4 và qSH3, không thể tự ngăn chặn hiện tượng vỡ hạt ở cây lúa hoang. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng khi đột biến sh4 và qSH3 được kết hợp, điều này đã ức chế một phần sự hình thành của lớp abscission, cần thiết cho sự vỡ hạt. Mặc dù vậy, họ kết luận rằng một sự ức chế nhỏ như vậy sẽ không đủ để tạo ra năng suất cây trồng ổn định, vì hạt giống dễ dàng rơi ra trong môi trường tự nhiên. Vì vậy, họ quyết định tập trung vào hình dạng bông hoa. Panicle là cụm cành mảnh ở ngọn cây lúa mang hạt.

Lúa hoang có cấu trúc bông lúa mở nên hạt dễ rụng. Thông qua phép lai, các nhà nghiên cứu đã tạo ra 8 cây lúa hoang, mỗi cây có sự kết hợp khác nhau của ba đột biến gen: đột biến ở SPR3 làm cho bông lúa đóng lại và đột biến sh4 và qSH3 nói trên. Sau đó, họ điều tra năng suất của từng loại cây. Họ phát hiện ra rằng các đột biến riêng lẻ có rất ít ảnh hưởng và ngay cả khi kết hợp hai đột biến cũng không làm tăng năng suất. Tuy nhiên, khi có cả ba đột biến gen, sản lượng tăng theo cấp số nhân.

 

Kết hợp các đột biến gen qSH3 và sh4 đã ức chế một phần lớp abscission.

 

Một phân tích về cơ chế cấu trúc của sự thay đổi cấu trúc bông lúa kín và sự ức chế lớp abscission cho thấy mối quan hệ bổ sung giữa hai yếu tố này. Gánh nặng của trọng lực lên lớp abscission của đế hạt ở cây bông kín thấp hơn ở cây bông mở, điều này có khả năng mang lại năng suất cho cây trồng thậm chí cao hơn bằng cách giảm hơn nữa sự vỡ hạt. "Hành vi không rơi vãi hạt" do đột biến sh4 và qSH3 gây ra và "bông khép" do đột biến SPR3 là những đặc điểm hoàn toàn không liên quan, tuy nhiên sự hợp tác ngẫu nhiên giữa những đặc điểm này được coi là yếu tố giúp cây lúa hoang trở thành cây trồng.

Trong câu chuyện ngụ ngôn về ba mũi tên, lãnh chúa Nhật Bản vào thế kỷ 16 MORI Motonari đã đưa cho ba người con trai của mình một mũi tên và họ có thể bẻ gãy từng mũi tên một cách dễ dàng. Tuy nhiên, một bó ba mũi tên mạnh hơn và bằng cách cho các con trai của mình thấy rằng ba mũi tên cùng nhau không thể bị phá vỡ, ông giải thích rằng ba người họ nên cùng nhau cai quản vùng đất. Ở các giống lúa, ba đột biến ít ảnh hưởng đến bản thân của chúng ngẫu nhiên kết hợp với nhau - một bước đệm quan trọng dẫn đến thành công của cây lúa.

Lúa gạo đã là nguồn cung cấp năng lượng hàng ngày cho con người từ hàng nghìn năm nay và một số giống lúa của Nhật Bản được coi là tác phẩm nghệ thuật văn hóa. Những kết quả nghiên cứu này không chỉ cho thấy cơ chế vỡ hạt mà còn cho chúng ta cái nhìn sâu sắc về lịch sử lâu dài đằng sau sự cải tiến của việc trồng lúa.

Mặc dù lúa gạo là một loại cây trồng thiết yếu trên toàn thế giới, nhưng người ta vẫn chưa hiểu đầy đủ về cách nó được thuần hóa. Những tiến bộ trong kỹ thuật nông nghiệp đi kèm với sự phát triển của các giống lúa ngày càng ít rơi hạt, cho thấy rằng việc có được hành vi không làm rơi hạt là kết quả của nhiều đột biến gen.

Người ta hy vọng rằng bằng cách nghiên cứu sâu hơn những đột biến này, quá trình canh tác lúa có thể được làm sáng tỏ. Ngoài ra, số lượng hạt bị vỡ có thể được kiểm soát bằng cách sử dụng các gen có nhiều đột biến này, dẫn đến sự phát triển của các giống lúa mới, nơi tất cả các hạt do cây tạo ra đều có thể được thu hoạch.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.